El tracte de favor dels comtes de Besalú i Cerdanya i l’empenta constructiva d’abats com Arnulf (949-970), Guidiscle (970-979) i Oliba (1008-1046) expliquen les successives consagracions de l’església monàstica els anys 935, 977 i 1032 i la renovació de la seva fàbrica, un espai que s’amplià i es monumentalitzà.
Si bé l’interior de l’església actual és fruit, en gran mesura, de la restauració dirigida per Elies Rogent conclosa el 1893, la planta respon al pla de l’edifici impulsat per l’abat Oliba, el mateix que ell consagrà el 1032. Es tracta d’una església de cinc naus, tallades per un ample transsepte coronat per set absis, el central més gran. La llargada de les naus i el fet de ser-ne cinc, les laterals separades per alternança de pilars i columnes, i la capçalera amb una bateria de set d’absis arrenglerats, són trets del tot inusuals en l’arquitectura romànica catalana del segle XI i, com s’ha suggerit, cal buscar-ne el model tant a les grans basíliques romanes com a esglésies monàstiques mosanes o renanes, sense oblidar l’església de Sant Miquel de Cuixà, governada pel propi Oliba. Aquest gran transsepte es va alçar damunt d’una necròpoli amb tombes que s’han datat dels primers dos segles del monestir.
Juntament amb la capçalera, una de les parts més interessants de l’església és la façana occidental, flanquejada a banda i banda per dues torres canpanar, de les quals només la meridional conserva bona part de l’estructura i la decoració original. Entre les dues torres va existir un cos occidental de doble nivell, l’inferior presidit, en un primer moment, per la porta d’accés al temple i decorat amb pintura mural de la qual resten alguns vestigis rere la gran portalada superposada al mur, construïda a mitjan segle XII. El nivell superior tenia una funció cultual i és probable que hostatgés l’altar dedicat al Sant Salvador i les relíquies de la Creu.A mitjan segle XII la comunitat renova parts substancials del cenobi com l’altar major, on es construeix un nou baldaquí i s’obra un mosaic que serveix de paviment al presbiteri. L’accés a l’església es monumentalitza amb una gran portada historiada i, finalment, s’inicia la renovació del claustre, que ja existia, i en el qual ara s’aixeca, almenys, una nova galeria, la nord –la que toca a l’església–, organitzada i decorada amb un estil i un llenguatge plenament romànics.
Sota l’abadiat de Ramon de Vilaregut (1280-1310) es construeix l’atri anterior a la portalada, amb un porxo d’arcs de mig punt. És un espai conegut amb el nom de galilea i que tingué una funció funerària com és atestat per erudits que visitaren el monestir al segle XIX, que veieren tombes sumptuoses a banda i banda de la portada.
El terratrèmol del 2 de febrer de 1428 provocà greus destrosses, entre elles l’esfondrament de la volta major de l’església, reconstruïda més tard amb voltes de creueria. Encara avui es conserven al lapidari de l’antiga església parroquial de Sant Pere diverses claus de la volta gòtica dedicades als goigs de la Mare de Déu. La millor conservada representa la coronació de la Mare de Déu, envoltada d’àngels que lloen la reina del cel.Gràcies a l’acta de consagració del 1032 i als inventaris dels segles XI i XII coneixem l’aixovar litúrgic del monestir. A la mort d’Oliba es realitza un dels inventaris que enregistra, entre altres elements, un frontal d’or amb pedres precioses i esmalts amb dues taules menors de plata per a l’altar major, i un baldaquí amb quatre columnes que sostenen la coberta de plata. Cap d’aquestes esplèndides obres ens ha pervingut, llevat de quatre bases de columna que possiblement pertanyien a un segon baldaquí, del segle XII, i que avui es guarden al lapidari del monestir i al Museu Nacional d’Art de Catalunya, i cinc fragments del mosaic original. La imatge romànica de la Mare de Déu, titular del monestir, es conservà fins el 1835 al cambril.